Quando i neuroni si ammalano e degenerano

Transcript

1 Quando i neuroni si ammalano e degenerano Antonino Cattaneo Scuola Normale Superiore Le Frontiere della Biologia Accademia dei Lincei e Normale per la scuola 23 febbraio

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4 La plasticita sinaptica funzionale: l efficacia delle sinapsi aumenta (o diminuisce) in modo duraturo FIELD EPSP mv 10 ms HFS TIME (min relative to HFS)

5 Il problema della specificita sinaptica e la sintesi proteica locale nei neuroni

6 La plasticita strutturale: spine dendritiche.

7 e nuovi neuroni (neurogenesi adulta)

8 Le interazioni geni-ambiente nelle patologie cerebrali

9 L epigenoma: il risultato di un gioco tra writers (es. HATs, HMTs) e erasers (es. HDACs, HDMs), interpretato dai readers.

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11 Engramma: la traccia della memoria Its result, namely, the enduring though primarily latent modification in the irritable substance produced by stimulus, I have called an Engram Richard Semon, 1921

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13 Quando i neuroni si ammalano e degenerano Malattia di Alzheimer Malattia di Parkinson Corea di Huntington Sclerosi laterale amiotrofica..e moltre altre 13

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15 Perdere la memoria: la malattia di Alzheimer 15

16 La malattia di Alzheimer: una emergenza World Alzheimer Report 2015, ADI

17 Aspetti comuni a varie patologie Vulnerabilita selettiva di specifiche popolazioni neuronali Aggregazione e misfolding di proteine Perdita di sinapsi, prima che perdita di neuroni (malattie sinaptiche) Forme sporadiche e forme genetiche La malattia comincia molto tempo prima che i segni clinici siano manifesti 17

18 Eziologia e fattori di rischio Eta Genetica Geni malattia (mutazioni puntiformi (autosomiche dominanti o autosomiche recessive)), amplificazioni geniche Alleli che aumentano il rischio (es. ApoE4 e TREM2 in AD) Fattori ambientali? 18

19 Mutazioni genetiche che causano neurodegenerazione 19

20 Corpi di Lewy: alfa-sinucleina 20

21 Grovigli neurofibrillari (tangles): proteina Tau Placche di Amiloide: proteina APP

22 Ripiegamento e aggregazione L aggregazione proteica e un processo chimicofisico importante e generico, nel ripiegamento di una proteina, in relazione al suo panorama energetico (energy landscape) 22

23 Aggregazione e ripiegamento: processi in competizione 23

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25 Il ripiegamento delle proteine e la loro aggregazione nella cellula sono strettamente regolate 25

26 Amiloidi funzionali: non solo patologia 26

27 Il concetto di prione: dal seme iniziale ai grossi aggregati

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29 Propagazione intra- ed inter-cellulare di aggregati proteici

30 Perdere la memoria: la malattia di Alzheimer Non ci sono cure, solo trattamenti sintomatici Non e possibile una diagnosi precoce Lo sviluppo della patologia nel cervello precede di molti anni la comparsa dei sintomi clinici (e quindi la diagnosi clinica) 30

31 Grovigli neurofibrillari (tangles): proteina Tau Placche di Amiloide: proteina APP

32 La patologia e caratterizzata non solo da placche di Ab e grovigli neurofibrillari di Tau, ma anche da deficits colinergici, Paziente di 89 anni di controllo Paziente di 84 anni affetto da AD

33 La proteina associata ai microtubuli Tau 33

34 Vie amiloidogeniche e non amiloidogeniche nella proteolisi di APP LaFerla et al. Nature Rev. Neurosci 2007

35 Fasi precliniche e cliniche della MA Riserva Cognitiva Capacità cognitive 100% Eventi causali a monte Tempo anni 5-10 anni Esprdio Biologico Fase preclinica Esordio Clinico Fase Clinica

36 Alzheimer sporadico e familiare Mutazioni nei geni APP e Preseniline Tauopatie: mutazioni nel gene Tau causano altre forme di demenza (FTD) 36

37 Come si studia? Da cosa partire? Dai geni-malattia e dalle proteine che aggregano (modelli transgenici, studi cellulari) Dai fattori di rischio Dai meccanismi di neuroprotezione Da studi genetici di larghe coorti di individui (GWAS) per individuazione di geni che conferiscono rischio o protezione 37

38 L ipotesi amiloide ha dominato la scena negli ultimi anni ma..

39 Immunoterapie per colpire Ab 39

40 Fallimenti delle sperimentazioni cliniche dirette al peptide A b L ipotesi e sbagliata? Trattamenti troppo tardivi? (problema della diagnosi precoce) Specie molecolare bersaglio (A b fibrillare) non ottimale? Molte strade diverse portano alla neurodegenerazione 40

41 Molte strade differenti portano alla neurodegenerazione 41

42 Colpire le forme precoci del peptide Ab (Ab oligomers), identificando dove si formano inizialmente Colpire i meccanismi a monte della cascata amiloidogenica e/o attivare meccanismi di neuroprotezione (interrompere circoli viziosi) Unificare gli studi sulla manipolazione degli engrammi con le ricerche sulla neurodegenerazione 42

43 Oligomeri di Aβ nella patogenesi della malattia di Alzheimer Oligomeri di A beta : 100 volte piu neurotossici delle fibrille Legano specificamente le membrane sinaptiche Aβ plaque

44 X X Anticorpi conformazionali anti-aβos

45 Anticorpi conformazionali che neutralizzano le fasi precoci della oligomerizzazione 45

46 Targeting intracellulare di anticorpiricombinanti anti-aβos Targeting intracellulare e sinaptico 1. Citoplasma 2. Reticolo endoplasmico 3. Via secretoria 4. Mitocondri 5. Sinapsi (pre- e post-) 46

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48 Intrabody scfva13-kdel in 7PA2 cells (fad: happ_v717f) Extracellular Intracellular Conditioned Media (CM) Lysates Aβ AβOs Aβ AβOs WB and DB analysis (see also poster n.6) Extracellular Aβ profile SELDI-TOF immunoproteomic analysis Meli et al., Nat Comms 2014

49 Colpire le forme precoci del peptide Ab (Ab oligomers), identificando dove si formano inizialmente Colpire i meccanismi a monte della cascata amiloidogenica e/o attivare meccanismi di neuroprotezione (interrompere circoli viziosi) Unificare gli studi sulla manipolazione degli engrammi con le ricerche sulla neurodegenerazione 49

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53 Neutralizzare NGF nel cervello adulto induce una neurodegenerazione progressiva simile all Alzheimer T i m e i n n q q u u a a d d d r a a a n t t t ( ( ( s s s e e c c ) b -amyloid plaques Cholinergic deficit Memory loss Phosphorylated tau quadrants Probe trial SO* NE SE NO WT mice wt AD11 AD11 mice Ruberti et al. 2000; Capsoni et al., 2000, 2002

54 L ipotesi dello sbilanciamento NGF/proNGF Cortical protein levels prongf Furin MMP Plasmin Other convertases NGF Neurodegeneration, Cell death Sortilin p75 NTR TrkA Neuron p75 NTR Survival Final outcome: depending on the relative ratios Normal conditions (WT) prongf + NGF AD: Unbalance NGF/proNGF Decreased protease activity prongf TrkA Survival (TrkA, p75 NTR ) Neurodegeneration (sortilin, p75 NTR ) MMSE score Counts and Mufson, 2005

55 Come utilizzare NGF per sperimentare una terapia per AD? NGF e un potente sensibilizzatore del dolore Barriera ematoencefalica

56 Come utilizzare NGF per sperimentare una terapia per AD?

57 Tuszynski et al., Nat. Med. 2005; JAMA 2015

58 Togliere il dolore dalla molecola del NGF E possibile ingegnerizzare una molecola di NGF che ne mantenga tutte le proprieta neurotrofiche, ma ne elimini la capacita di indurre dolore? HSAN V: Malattia genetica rara di insensibilita congenita al dolore Simona Capsoni

59 HSAN V NGF R100: painless NGF TrkA TrkA p75 C-term C-term D75 R100 R100 R100

60 NGF61/100 decreases plaque load in 5xFAD mice

61 % Rel.Amp. Rel.Amp. PP ratio PPratio SCUOLA NORMALE SUPERIORE NGF61/100 rescues synaptic transmission and LTP deficits in the entorhinal cortex of 5xFAD mice A wt 5xFAD 5xFAD+NGFp wt 5xFAD 5xFAD+NGFp ISI (ms) B C wt 20 5xFAD 5xFAD+NGF Stim.Int. (V) ISI (ms) 5xFAD+NGFp wt HFS 5xFAD Time (min)

62 SCUOLA NORMALE SUPERIORE 62

63 Omeostasi del ripiegamento delle proteine: il network della proteostasi 63

64 La risposta della cellula al protein misfolding: unfolded protein response (UPR) 64

65 Letargo e plasticita sinaptica 65

66 La perdita della capacita di riformare le sinapsi, dopo ibernazione, e un evento precoce nella neurodegenerazione 66

67 SCUOLA NORMALE SUPERIORE Colpire le forme precoci del peptide Ab (Ab oligomers), identificando dove si formano inizialmente Colpire i meccanismi a monte della cascata amiloidogenica Unificare gli studi sulla manipolazione degli engrammi con le ricerche sulla neurodegenerazione 67

68 Incontrarsi a meta del tunnel, partendo dalle due estremita opposte 68

69 Engrams: memory traces

70 Alla ricerca dell engramma: necessita e di sufficienza Una memoria puo essere codificata da (in) una popolazione di neuroni Questi neuroni possono essere geneticamente marcati, per una successiva identificazione e manipolazione La loro ablazione o silenziamento abolisce la memoria (necessita ) E possibile indurre un comportamento innescato da una specifica memoria, attivando direttamente una popolazione di neuroni identificati come attivi durante l apprendimento?

71 Fear Conditioning

72 Optogenetica

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74 Optogenetics to induce or to change memories

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76 Protocollo sperimentale In presenza di Dox, tta non si lega a TRE e la ChR non viene espressa, ma la marcatura genetica dei neuroni attivati in A resta ChR espressa in assenza di Dox, nei neuroni attivati nel contesto A Topi abituati nel contesto A, poi esposti ad uno shock, nel contesto B, ed infine riesposti al contesto A, in presenza di Dox e di Luce.

77 Stimolazione optogenetica delle cellule-engramma La stimolazione ottica delle celluleengramma induce una risposta comportamentale Durante la prima fase di abituazione (contesto A) topi non mostrano Freezing Dopo il training con fear conditioning e marcatura delle cellule-engramma con ChR (contesto B), I topi esposti al contesto A mostrano freezing, ma solo quando si accende la luce. Le cellule del DG che hanno espresso c- fos (e quindi ChR) durante il training definiscono una popolazione la cui attivazione e sufficiente per richiamare la memoria, misurata dalla risposta comportamentale.

78 Optogenetics to induce or to change memories

79 Creazione di una falsa memoria

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